紅層堆積體高邊坡坡體結(jié)構(gòu)及變形規(guī)律

1、第29卷增1 巖石力學(xué)與工程學(xué)報V ol.29 Supp.1 2010年5月Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering May,2010紅層堆積體高邊坡坡體結(jié)構(gòu)及變形規(guī)律王喚龍1,孫毅2,周德培1,肖世國1(1. 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,四川成都 610031;2. 四川省交通廳廣元巴中高速公路工程建設(shè)指揮部,四川廣元 628000摘要:紅層堆積體高邊坡是紅層地區(qū)一種特殊的邊坡型式。廣元到巴中高速公路沿線分布有廣泛的紅層堆積體高邊坡,從紅層堆積體的改造過程入手,根據(jù)地質(zhì)條件復(fù)查,依據(jù)坡頂形態(tài),將沿線的紅層堆積體分成:M型、雙M型和單側(cè)型

2、;按照土體類型和結(jié)構(gòu)堆積型式分為:層狀堆積體、塊石土堆積體、黏土層下臥塊石土堆積體和塊石土黏土中夾雜大孤石4種類型。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查資料并輔以MIDAS/GTS有限元分析軟件,詳細(xì)分析4種類型的開挖變形破壞特征。所有堆積體均存在坡體淺表層局部滑塌,其中層狀堆積體中主要以順層整體牽引式滑動為主,而在塊石土和以黏土構(gòu)成的堆積體中則主要出現(xiàn)圓弧狀滑動面和沿基巖方向的平面滑動。含有孤石的坡體變形和破壞型式,受內(nèi)部孤石的大小和位置不同而變化明顯。堆積體邊坡的具體變形特征除與堆積體結(jié)構(gòu)特征有很大關(guān)系以外,還要受到其下臥基巖面的形狀、傾角等因素影響。地質(zhì)復(fù)查和數(shù)值模擬的結(jié)果顯示,紅層堆積體高邊坡變形特征和破壞型

3、式也與紅層軟巖地區(qū)同樣具有多樣化的特點(diǎn)。對進(jìn)一步分析紅層堆積體高邊坡病害模式和災(zāi)害機(jī)制提供基礎(chǔ),也為紅層堆積體地區(qū)設(shè)計開挖支護(hù)方法的研究提供依據(jù)。關(guān)鍵詞:邊坡工程;紅層堆積體;高邊坡;坡體結(jié)構(gòu);變形特征中圖分類號:P 64 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:10006915(2010增1288708 SLOPE STRUCTURE AND EXCA V ATION DEFORMATION REGULARITY OF HIGH SLOPE COMPOSED WITH RED BED ACCUMULATION BODYWANG Huanlong1,SUN Yi2,ZHOU Depei1,XIAO Shig

4、uo1(1. School of Civil Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu,Sichuan610031,China;2. Guangyuan-Bazhong Expressway Project Construction Headquarters,Sichuan Provincial Communications Department,Guangyuan,Sichuan628000,ChinaAbstract:The high red bed accumulation body slope is a particular t

5、ype in red beds areas. It is widely distributed in GuangyuanBazhong expressway. Starting from the reform process of red bed accumulation body,and based on the geological checking investigation,the red bed accumulation body is divided into M type,double-M type and single side type by slope top shape;

6、and at the same time,the red bed accumulation body is divided into layered accumulation body,mass rock and soil accumulation body,clay layer beneath mass rock and soil accumulation body,mass rock and clay mix up big solitary stone by soil types and accumulation types. The excavation deformation char

7、acteristics of the four types are analyzed through the field survey data and assisted by MIDAS/GTS (MIDAS/geotechnical and tunnel analysis system. The superficial partial slumps appear in all the types of accumulation body slopes. In layered accumulation body,tractive consequent landslide is the mai

8、n pattern of sliding. While circular sliding face and plane sliding along the bedrock appear in the accumulation body which includes mass rock and soil or clay. The slope deformation and failure types with solitary stone changed obviously by variety of size and location of inside solitary stone. The

9、 geological checking investigation and numerical simulation results also show that besides structure type of accumulation body,the shape of bedrock and obliquity can also affect the deform characteristics. The characteristic of red bed accumulation body has the same收稿日期:20090114;修回日期:20090328基金項目:四川

10、省交通廳科研資助項目(SC20070104 2888 巖石力學(xué)與工程學(xué)報 2010年diversification with the red bed slope. The results provide a basis for analyze the disease patterns and mechanism, and also provide a foundation for the design of red bed accumulation body area.Key words:slope engineering;red bed accumulation body;high slop

11、e;slope structure;deformation regularity1 引 言紅層主要分布于西南、華中、華南和西北地區(qū),是一種具有特殊地質(zhì)力學(xué)性質(zhì)的巖體,開挖后坡體的自穩(wěn)能力很差,導(dǎo)致紅層地區(qū)路塹高邊坡工程在施工期間和施工后,不斷出現(xiàn)滑坡、溜坍、風(fēng)化剝落等病害18。紅層地區(qū)公路建設(shè)難度較大,地質(zhì)災(zāi)害頻繁,尤其是大量的經(jīng)坡積及沖洪積等作用形成的堆積體,對公路的順利建設(shè)及安全運(yùn)營都有著極為重要的影響。廣巴高速公路工程位于四川北部山區(qū),全線148.7 km,存在諸多的紅層堆積體高邊坡問題,其開挖穩(wěn)定性是工程實踐中極為關(guān)注的重要問題。結(jié)合工程具體實際情況,對沿線26處的紅層堆積體開挖高邊坡

12、(坡高超過10 m所處的地形地質(zhì)狀況進(jìn)行了進(jìn)一步的現(xiàn)場實地復(fù)查和初步評估。紅層堆積體的主要堆積形式有層狀堆積、土石混合堆積,堆積體多是紅層的砂、泥巖崩塌堆積物,巖質(zhì)軟弱、抗風(fēng)化能力很差,力學(xué)性質(zhì)對地下水的敏感性強(qiáng)。邊坡的物理、力學(xué)性質(zhì)離散性大,受其中充填物質(zhì)的含量和特性控制。這種邊坡即使開挖高度低、坡度緩,其自穩(wěn)能力也很差,對于高邊坡容易造成工程病害,尤其是在降雨作用下更為嚴(yán)重。周應(yīng)華等9,10對紅層軟巖已經(jīng)進(jìn)行了詳細(xì)的分類,但對于紅層堆積體的分類則僅以地表形狀為依據(jù),并且現(xiàn)有觀點(diǎn)1115多認(rèn)為紅層堆積體形態(tài)較為單一,滑坡變形規(guī)律和災(zāi)害機(jī)制比較簡單,均沒有深入分析研究,通過對廣巴高速公路地質(zhì)情

13、況復(fù)查,發(fā)現(xiàn)紅層堆積體分布形態(tài)多樣化,變形規(guī)律各有不同。2 紅層堆積體改造過程紅層邊坡坡體結(jié)構(gòu)主要經(jīng)過兩部分后期改造,一是地球內(nèi)力作用的改造,二是外力作用改造,其中主要包括風(fēng)化、剝蝕、降水、流水和重力等。紅層堆積體的產(chǎn)生以及產(chǎn)生后的物理改造均為外力作用的結(jié)果。(1 風(fēng)化及剝蝕作用在降雨、凍融、溫度、陽光、生物等的綜合作用下,特別是長期反復(fù)的干濕效應(yīng)、氣溫波動、陽光交替,導(dǎo)致原坡體表面以及堆積體淺層巖土體酥裂、剝落、掉塊,堆積至坡體下部并產(chǎn)生新的風(fēng)蝕表面反復(fù)循環(huán),使得紅層堆積體坡度逐漸減緩。堆積體地區(qū)的巖體以泥巖、砂巖為主,風(fēng)化特性明顯,特別是軟硬互層地區(qū),泥巖、砂巖抗風(fēng)化性能有所差異,風(fēng)化作用

14、將泥巖剝蝕后,形成向巖體內(nèi)部的凹槽,隨著深度不斷加大,導(dǎo)致上部砂巖懸空,形成危巖,最終拉斷,導(dǎo)致滾石、崩塌等災(zāi)害。(2 降水作用對于已形成的紅層堆積體,內(nèi)部多為黏土、塊石土等,親水性強(qiáng),同樣水敏感性也強(qiáng)。堆積體位置一般多處于山間溝谷,為主要匯水地段,強(qiáng)降水條件下,大量降水滲入堆積體,甚至使部分土體達(dá)到飽和狀態(tài),減弱土體強(qiáng)度指標(biāo),黏聚力和內(nèi)摩擦角急劇減小,引起局部滑坡,形成新的堆積體。(3 流水作用在暫時性和長期流水沖刷作用下,原始邊坡或堆積體邊坡下部被侵蝕,特別是受風(fēng)化作用明顯的坡體,內(nèi)部有大量松散物質(zhì),這種掏蝕作用使得上部坡體物質(zhì)又重新堆積,并牽拉上方土體下滑并堆積,構(gòu)成新的風(fēng)化表面,逐步形

15、成新的堆積物。(4 重力作用無論是風(fēng)化作用還是流水作用,重力都會導(dǎo)致松散物質(zhì)順坡體表面滑落或帶動整個坡體下滑,特別是風(fēng)化較強(qiáng)的碎裂狀巖體剝落,淺表層滑塌。另外,對于層狀邊坡,重力引起順層巖體后部拉裂,并沿軟弱層面下滑;或引起反傾巖體構(gòu)造節(jié)理張開,在各種綜合作用下填充泥質(zhì)物,降低抗剪強(qiáng)度。3 紅層堆積體邊坡坡體結(jié)構(gòu)特征胡厚田和趙曉彥10在“紅層邊坡巖體結(jié)構(gòu)類型劃分的依據(jù)”中提到必須考慮上覆堆積層的紅層邊坡巖體的二元結(jié)構(gòu),紅層軟巖在長期內(nèi)力地質(zhì)作用和外力地質(zhì)作用下,形成了各種第四系堆積物。周應(yīng)華9也將帶有覆蓋層的紅層堆積體按堆積體和坡頂形狀主要分為兩類:(1M形堆積土和層狀邊坡巖體二元結(jié)構(gòu);(2

16、雙M形堆積土和層狀邊坡巖體第29卷增1 王喚龍,等. 紅層堆積體高邊坡坡體結(jié)構(gòu)及變形規(guī)律 2889 二元結(jié)構(gòu),如圖1(a,(b所示。 (a M型(b 雙M型(c 單側(cè)型圖1 堆積體3種型式Fig.1 Three types of accumulation body從圖1可知:(1M型結(jié)構(gòu)上部為紅層的松散堆積物,多為塊石黏土,厚15 m;下部河湖相砂巖、泥巖、粉砂巖互層,二者接觸面常向臨空面傾斜。(2 雙M型結(jié)構(gòu)上部堆積層多為崩坡積、滑坡堆積物(塊石黏土,厚315 m,下部為河湖相砂巖、泥巖、粉砂巖等互層,二者接觸面常傾向臨空面。(3 單側(cè)型,在對廣巴路進(jìn)行的地質(zhì)復(fù)查中,特別是在東河和木門河沿岸

17、大量存在一種單側(cè)型二元結(jié)構(gòu),如圖1(c所示。結(jié)構(gòu)上部多為崩坡積層,由含角礫的低液限黏土、塊石質(zhì)土和塊石夾土構(gòu)成,橫坡坡度為20°30°,斜坡中部一般分布有呈帶狀的緩坡平臺,堆積層厚度為825 m;下部為河湖相砂巖、泥巖、粉砂巖等互層,二者接觸面傾向臨空面,且上陡下緩,場地高差一般較大。根據(jù)堆積體中土體類型及堆積結(jié)構(gòu)形式,將紅層堆積體分為4種類型。3.1 層狀堆積體此類紅層堆積體高邊坡坡體結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為較強(qiáng)的層理性,表層多碎裂,堆積層主要由強(qiáng)風(fēng)化砂巖構(gòu)成,呈褐紅色,層間結(jié)構(gòu)面多表現(xiàn)為硬性結(jié)構(gòu)面,有時也有一定的黏土物質(zhì)填充于層間,形成軟弱結(jié)構(gòu)面。層體由于風(fēng)化強(qiáng)烈,完整性較差,具有較

18、強(qiáng)的透水性。根據(jù)層理面與開挖坡面傾向的關(guān)系不同,可分為近水平層狀(傾角不大于15°、順傾層狀、反傾層狀、斜交層狀等多種邊坡坡體結(jié)構(gòu)型式。其中前兩種邊坡的開挖穩(wěn)定性狀況一般較差,尤其是順傾層狀結(jié)構(gòu),開挖邊坡極易沿順傾層理面向下滑動變形。后2種邊坡開挖后往往沿層體內(nèi)部脆弱的結(jié)構(gòu)面失穩(wěn),由于堆積體強(qiáng)度指標(biāo)已經(jīng)很低,外部環(huán)境對結(jié)構(gòu)面影響作用較大。層狀堆積體典型坡體如圖2所示。3.2 塊石土堆積體這類堆積體高邊坡的坡體材料主要由塊石夾土構(gòu)成的,其中塊石多由礫石、強(qiáng)風(fēng)化砂巖碎塊組成,呈褐紅色,而土質(zhì)部分主要由黏粒構(gòu)成,具有低液 圖2 層狀堆積體Fig.2 Layered accumulation

19、 body限,多呈褐土黃色,硬塑半硬狀。該類堆積體中密狀態(tài),稍濕,透水性好,細(xì)觀結(jié)構(gòu)并不均勻,堆積體下臥基巖。該類土層一般位于近地表的一定范圍內(nèi),常常由較厚的殘坡積塊石土和強(qiáng)風(fēng)化砂頁巖及下伏砂巖、局部灰?guī)r組成的路塹高邊坡,覆蓋厚度可能較大,因而形成的塹坡高度也可能較高,但坡體結(jié)構(gòu)較為簡單,從地質(zhì)力學(xué)模型角度來看,可概括為“上較軟下較硬的2層類均質(zhì)材料”的坡體結(jié)構(gòu)。塊石土堆積體典型坡體如圖3所示。 圖3 塊石土堆積體Fig.3 Mass rock and soil accumulation body3.3 黏土層下臥塊石土堆積體這種堆積體邊坡上層為黏土層、下層為塊石土的堆積體型式,堆積體下臥強(qiáng)弱

20、風(fēng)化的基巖。其中上面的黏土層主要為第四系的含角礫低液限黏性土,層內(nèi)結(jié)構(gòu)極不均勻,承載力低,壓縮性變化大,透水性較好。下面的塊石土多由礫石、強(qiáng)風(fēng)化砂巖碎塊夾雜一定的黏粒組成,呈褐紅色,層內(nèi)結(jié)構(gòu)極不均勻,透水性較好。這類開挖邊坡坡體結(jié)構(gòu)可近似看成由三類物質(zhì)構(gòu)成,最下面為較為堅硬基巖,中間為較為軟弱的類均質(zhì)的碎石土,上部為很軟弱 2890 巖石力學(xué)與工程學(xué)報 2010年的類均質(zhì)黏性土。這樣,坡體結(jié)構(gòu)特征可表述為“上很軟中較軟下較硬的三層類均質(zhì)材料”的邊坡。黏土層下臥塊石土堆積體典型坡體如圖4所示。 圖4 黏土層下臥塊石土堆積體Fig.4 Mass rock and soil beneath clay

21、 layer accumulation body3.4 塊石土黏土中夾雜大孤石堆積體在四川省內(nèi)的紅層堆積體還存在一種特殊的形式,即塊石土黏土堆積層中會出現(xiàn)大的孤石,其下則為強(qiáng)弱風(fēng)化的基巖。其中塊石多為較大直徑的礫石、強(qiáng)風(fēng)化砂巖碎塊等,呈褐紅色,其間夾雜有低液限黏土,多呈褐土黃色。塊石土覆蓋的較大的孤石多為風(fēng)化砂巖,孤石大小不等,塊石土和黏土的覆蓋厚度變化較大,致使堆積體的結(jié)構(gòu)性表現(xiàn)得極不均勻。這類邊坡的坡體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,下部較為堅硬的基巖可近似視為類均質(zhì)體,但上部的堆積體則一般不能簡單的均勻化處理,其中的大孤石同覆蓋其的塊石土力學(xué)性質(zhì)差異較大。此類堆積體高邊坡坡體結(jié)構(gòu)可簡單概括為“上為軟硬差異

22、較大的非均質(zhì)體下為較堅硬的類均質(zhì)體”。塊石土黏土中夾雜大孤石堆積體典型坡體如圖5所示。 圖5 塊石土黏土中夾雜大孤石堆積體Fig.5 Mass rock and clay mix up big solitary stone4 開挖高邊坡變形破壞特征斜坡變形一般可以分為卸荷回彈和斜坡蠕變2種方式。斜坡失穩(wěn)破壞的基本模式包括崩落(塌、滑落(坡和(側(cè)向擴(kuò)離15。紅層堆積體邊坡破壞一般由小到大逐步擴(kuò)展并經(jīng)歷若干周期的反復(fù)而形成。在多數(shù)情況下,開挖引起堆積體邊坡出現(xiàn)始于坡腳的牽引式滑動變形,但是堆積體邊坡的具體變形特征除與堆積體結(jié)構(gòu)特征有關(guān)外,還要受到其下臥基巖面的形狀、傾角等因素影響。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果

23、發(fā)現(xiàn),26個高邊坡中,無論由何種巖土體構(gòu)成,在開挖及地表水作用下,都存在著坡體淺表層局部滑塌的變形模式。沿線紅層堆積體淺表層均為低液限黏土或塊石土,對于這種類型的堆積體邊坡,局部滑塌變形一般呈圓弧型,破壞剪出口不一定位于坡腳,一般在坡體中部出現(xiàn),滑體后緣部分變形大于前緣,后緣會出現(xiàn)較為明顯的拉裂縫。而對于層狀堆積體的淺表層變形破壞,均由表層結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度較低造成,變形邊界不規(guī)則,也無規(guī)律可循。此類變形特征示意圖如圖6所示。(a (b圖6 堆積體淺表層局部滑塌示意圖Fig.6 Schematic diagram of superficial partial slump of accumulation

24、 body紅層堆積體邊坡中的層狀堆積體中砂巖、泥巖或粉砂質(zhì)泥巖互層,內(nèi)部構(gòu)造與紅層軟巖邊坡中軟硬巖體互層相似。利用有限元分析軟件MIDAS/GTS 分析時,在其他條件不變時,順層堆積體開挖變形影響范圍隨著結(jié)構(gòu)面的黏聚力或內(nèi)摩擦角的增大逐漸減小,坡體結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c,對坡體的開挖變形影響顯著。當(dāng)c值小于某一限值時,坡體失穩(wěn),隨著黏聚力c值增大,坡體趨于穩(wěn)定,當(dāng)c 值增加到一定值時,坡體穩(wěn)定性增加速度趨于0。對于內(nèi)摩擦角也有相同規(guī)律。但對于反傾堆積體的數(shù)值模擬中,人為構(gòu)造貫通節(jié)理面的偶然性較大,所以對于層狀堆積體邊坡的變形特征及分類,主要根據(jù)大量紅層軟巖相關(guān)文獻(xiàn)對紅層地區(qū)層狀巖體的變形特征及規(guī)

25、律的總結(jié),結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查做出的。另外3種堆積體類型,是紅層堆積體高邊坡工程中特有的形式,依據(jù)坡體結(jié)構(gòu)特征,結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查情況和相關(guān)地勘報告,并對部分典型高邊坡橫斷基巖基巖塊石土或黏土堆積體層狀堆積體第29卷增1 王喚龍,等. 紅層堆積體高邊坡坡體結(jié)構(gòu)及變形規(guī)律 2891 面采用MIDAS/GTS進(jìn)行了數(shù)值模擬,將不同堆積體開挖變形特征細(xì)分如下。4.1 層狀堆積體由于堆積體間有較為顯著的層理結(jié)構(gòu),其中軟弱層理面是受力的薄弱環(huán)節(jié),在開挖卸荷作用下,邊坡的變形受層理面的力學(xué)性質(zhì)影響很大。在各種層狀結(jié)構(gòu)的邊坡中,順傾層狀堆積體邊坡的變形發(fā)展對坡體穩(wěn)定性最為不利。在順層條件下,開挖作用使坡腳處產(chǎn)生應(yīng)力集中,

26、坡體下部易產(chǎn)生剪切滑移變形,于是牽引后部的開挖邊坡主要順著軟弱層面向下滑動,滑動坡體的位移變化具有整體性的特點(diǎn),坡體前緣與后緣的變形幾乎一致。坡體開挖后,首先前部坡體失穩(wěn),然后逐步向后發(fā)展,坡體破壞形式為牽引式順層剪切滑動破壞。坡體順層滑動破壞的剪出口可能出現(xiàn)在坡面中下部。開挖臨空面的變形量最大,向坡體內(nèi)變形逐漸減小,坡體變形主要表現(xiàn)為沿層間滑移。在距離坡頂一定深度范圍內(nèi)存在變形松動區(qū)。巖層產(chǎn)狀、巖層走向與線路走向夾角以及優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度等因素對坡體開挖變形特征有著明顯的影響。隨著線路走向與巖層走向夾角的變化(保持同一巖層傾角,坡體位移場會產(chǎn)生較大的變化。當(dāng)線路走向夾角與巖層走向夾角為0時,

27、坡體會出現(xiàn)較大的水平位移,且分布區(qū)域較廣;隨著夾角增大,雖然局部地方出現(xiàn)了較大位移,但坡體塑性區(qū)有減小的趨勢,坡體穩(wěn)定性逐漸增強(qiáng)。設(shè)計開挖放坡坡度一般為11.2511.50,對于完整性較好的反傾層狀堆積體,開挖后普遍穩(wěn)定性較高。但完整性較差的反傾堆積體,主要是沿結(jié)構(gòu)面的失穩(wěn)問題。結(jié)構(gòu)面的發(fā)育程度,尤其是貫穿型結(jié)構(gòu)面的發(fā)育程度對邊坡的穩(wěn)定性有重要的影響;開挖后強(qiáng)風(fēng)化表面臨空,在邊坡上的任何位置均可能產(chǎn)生掉塊、崩落等現(xiàn)象,同時導(dǎo)致上部巖體失去下部支撐,發(fā)生連鎖反應(yīng),從原巖體中剝落。開挖邊坡變形破壞主要有整體滑移失穩(wěn)和局部巖體滑移失穩(wěn)。層狀堆積體邊坡的變形特征示意如圖7所示。圖7 層狀堆積體變形特征

28、示意圖Fig.7 Schematic diagram of layered accumulation body這一類型的典型工點(diǎn)有K72+260+360和K74+244+316,兩工點(diǎn)均位于旺蒼縣出城方向,中心最大挖深10 m左右,場地屬淺中切割剝蝕構(gòu)造單面低山地貌,東河左岸斜坡崩坡積層連續(xù)分布。根據(jù)地質(zhì)調(diào)查及鉆探揭露,區(qū)內(nèi)地層有:(1 第四系全新統(tǒng)崩坡積層(c+dl4Q;(2 第四系全新統(tǒng)一階河流沖積層(al41Q;(3 第四系全新統(tǒng)近代河流沖積層(al42Q;(4 侏羅系中統(tǒng)遂寧組(J2sn。侏羅系中統(tǒng)遂寧組(J2sn中巖性由粉砂質(zhì)泥巖構(gòu)成,分布于整個場地,臥于松散層下,出露于河流兩側(cè)谷坡

29、的較陡地段。棕紅色為主,磚紅色少量。結(jié)構(gòu)不均,局部泥質(zhì)或粉、細(xì)砂質(zhì)分別富集。偶見裂隙,裂隙面附黑色錳質(zhì)薄膜。巖石具飽水軟化、脫水開裂特征。順傾層狀及近水平反傾層狀堆積體邊坡如圖8,9所示。 圖8 K72工點(diǎn)順傾層狀堆積體邊坡Fig.8 Consequent layered accumulation body slope of site K72 圖9 K74工點(diǎn)近水平反傾層狀堆積體邊坡Fig.9 Nearly horizontal anti-dip angle layered accumulation body slope of site K744.2 塊石土堆積體在開挖卸荷作用下,當(dāng)堆積體厚度

30、較小時,開挖邊坡易沿順傾的基巖面產(chǎn)生滑動變形,通常先在坡腳處產(chǎn)生剪切滑移,坡體后緣被牽引隨之產(chǎn)生向前向下的蠕動變形,位移達(dá)到一定程度后坡體易失滑動方向滑動方向 2892 巖石力學(xué)與工程學(xué)報 2010 年 穩(wěn)，由于堆積體整體沿著順傾的基巖面滑移，坡體 后緣與前緣的變形量具有一定的同步性。當(dāng)堆積體 厚度較大時，由于塊石間存在一定的黏性顆粒，因 而開挖邊坡的滑移面常會出現(xiàn)在堆積體內(nèi)部，形成 圓弧形滑移面。這時坡體的滑移同樣具有牽引式的 特征，但坡體后緣的位移量一般大于前緣。此類邊 坡的變形特征示意如圖 10 所示。隨著開挖施工步的 進(jìn)展，坡體位移整體表現(xiàn)為先逐漸增大，再逐漸減 小，最后趨于穩(wěn)定，在距

31、離坡面一定深度范圍內(nèi)存 在變形松動區(qū)。 Fig.11 滑動方向 厚層堆積體 基巖 (a (b 厚層堆積體 滑動方向 基巖 (b K78+160 斷面 圖 11 塊石土堆積體水平位移云圖(單位：m Horizontal displacement diagram of mass rock and soil accumulation body(unit：m 4.3 黏土層下臥塊石土堆積體 對于這類結(jié)構(gòu)的坡體，一般黏土層較厚，在開 挖卸荷作用下，整個邊坡的最下面的坡腳處塊石土 層中會出現(xiàn)剪切滑移，從而牽引帶動其后部的邊坡 向下向前滑動，在坡體后緣易出現(xiàn)張拉裂縫，裂縫 常常會出現(xiàn)在淺層的黏土層中，邊坡整

32、體會以圓弧 滑動面向下滑移變形。若塊石土層較薄，也會出現(xiàn) 在坡體后部黏土層中沿圓弧狀滑面滑移變形，而在 坡體前緣的塊石土層中呈平面式滑移變形。另外， 當(dāng)黏土層厚度很大時，也會出現(xiàn)在黏土層內(nèi)部的圓 弧式滑移變形，這時滑動剪出口位于 2 種不同土層 分界線處。無論哪種滑動變形狀況，坡體后緣的位 移量都會大于坡體前緣的位移量。此類邊坡的變形 特征示意圖如圖 12 所示。隨著開挖施工步的進(jìn)展， 在坡體滑移變形過程中，坡體位移整體表現(xiàn)為先逐 漸增大，再逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定，在距離坡面 一定深度范圍內(nèi)存在變形松動區(qū)。 Fig.10 圖 10 塊石土堆積體變形特征示意圖 Schematic diagram

33、 of mass rock and soil accumulation body 這一類型的典型工點(diǎn)有 K53+860，K78+160 和 K87+100+280 等，其中 K53+860 斷面主要為厚層 堆積體下臥基巖情況，堆積體以塊石土為主，對開 挖無支護(hù)的邊坡采用 MIDAS/GTS 進(jìn)行數(shù)值模擬， 塊石土 = 21 kN/m3，c = 10 kPa， = 25° = 800 ，E kPa， = 0.3，屈服準(zhǔn)則采用莫爾庫侖屈服準(zhǔn)則， 強(qiáng)度折減法計算，觀察坡體破壞形式，并得到邊坡 安全系數(shù)為 0.863，在堆積體內(nèi)部出現(xiàn)基本呈圓弧狀 的滑動面，坡體水平位移如圖 11(a所示。K

34、78+160 工點(diǎn)為薄層塊石土堆積體下臥基巖情況， 塊石土 = 21 kN/m3， = 12kPa， = 26° E = 800 kPa， = 0.3， c ， 表明坡體穩(wěn)定性較好， 但存 邊坡安全系數(shù)為 1.538， 有潛在的拉裂區(qū)域和沿基巖方向的滑動面， 坡體水平 位移如圖 11(b所示。 滑動方向 厚層堆積體 滑動方向 很厚的堆積體 薄塊石土 基巖 (a 薄塊石土 基巖 (b 圖 12 Fig.12 黏土層下臥塊石土堆積體變形特征示意圖 and soil accumulation body Schematic diagram of clay layer beneath mass

35、 rock 這一類型的典型斷面有 K16+800 +939 ， K17+250+330 和 K117+350+480 等，以 K17+284 斷面和 K117+400 斷面為例，分別建立數(shù)值計算模 型，莫爾庫侖屈服準(zhǔn)則，強(qiáng)度折減計算。厚層堆 (a K53+860 斷面 積體主要以低液限黏土為主， 下部依次為塊石土層、 第 29 卷 增1 王喚龍，等. 紅層堆積體高邊坡坡體結(jié)構(gòu)及變形規(guī)律 2893 強(qiáng)弱風(fēng)化基巖層。K17+284 斷面，低液限黏土 = 的松動范圍。如果孤石在開挖形成的坡面附近且全 部被軟弱土質(zhì)包裹，深度較淺時，孤石下方淺層滑 塌也容易造成孤石下部卸荷減載，導(dǎo)致孤石自身的 不穩(wěn)定向

36、臨空面發(fā)展位移，帶動后部坡體變形。由 于大孤石的存在，這類邊坡在滑動變形中所形成的 滑面的形狀通常不規(guī)則，呈一般的曲面式滑移變 形。此類邊坡的變形特征示意圖如圖 14 所示。 堆積體 大孤石 基巖 (b (c 堆積體 大孤石 基巖 18.16 kN/m ，c = 20.90 kPa， = 22° = 600 kPa， ，E 3 = 0.3，塊石質(zhì)土 = 20.3 kN/m ，c =17.25kPa， = 23° = 800 kPa， = 0.3，坡體安全系數(shù)為 1.238， ，E 潛在的近圓弧狀滑面從坡腳向上部坡體內(nèi)發(fā)展貫 通，水平位移如圖 13(a所示。K117+400

37、斷面，低 ，E 液限黏土 = 19.80 kN/m ，c = 27 kPa， = 13° = 3 3 600 kPa， = 0.3，塊石質(zhì)土 = 21.50 kN/m ，c = 18 kPa， = 30° = 800 kPa， = 0.3，坡體安全系 ，E 數(shù)為 1.263， 黏土層內(nèi)部潛在滑面為曲面， 接近薄塊 石土層面時為平面滑動，水平位移如圖 13(b所示。 大孤石 堆積體 基巖 (a 3 圖 14 塊石土黏土中夾雜大孤石堆積體變形特征示意圖 Fig.14 Schematic diagram of mass rock and clay mix up big solit

38、ary stone 這一類型的坡體尤以 K51+115+200 斷面最為 顯著，孤石尺寸從 0.52.0 m 不等，形狀差異明顯， 分布密集，開挖坡面后多有外露，見圖 15，K51+ 150 斷面附近坡面小范圍內(nèi)就有 3 個孤石露出。選取 K51+160 斷面進(jìn)行模擬。堆積體為低液限黏土， = (a K17+284 斷面 20 kN/m3， = 15 kPa， = 10° E = 600 kPa， = 0.3， c ， 孤石視為線彈性體。坡體安全系數(shù)為 1.113，孤石未 處在潛在滑動體內(nèi)，水平位移等值線在孤石附近有 一明顯轉(zhuǎn)折，水平位移云圖如圖 16 所示。 開挖后坡面上的孤石 (

39、b K53+440 斷面 圖 13 黏土層下臥塊石土堆積體水平位移云圖(單位：m Fig.13 Horizontal displacement diagram of clay layer beneath mass rock and soil accumulation body(unit：m 4.4 塊石土黏土中夾雜大孤石堆積體 在開挖邊坡形成后，在多數(shù)情況下，大的孤石 相對穩(wěn)定，邊坡的滑移主要是邊坡淺表層的小的塊 石土體在坡腳剪切滑動變形的帶動下產(chǎn)生向下向前 的滑移變形，滑移后緣的位移變化較大。隨著開挖 施工步的進(jìn)展，坡體位移整體表現(xiàn)為先逐漸增大， 再逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定，在距離坡面一定深度

40、 范圍內(nèi)存在變形松動區(qū)。少數(shù)情況下，大的孤石自 身的穩(wěn)定性較差，小的塊石土向前滑移過程中，也 會帶動不穩(wěn)定的大孤石向前滑動甚至翻滾，進(jìn)而導(dǎo) 致其后部的堆積體進(jìn)一步向前滑移，邊坡產(chǎn)生更大 Fig.16 Fig.15 圖 15 K51+150 斷面坡面 Excavate slope surface of K51+150 圖 16 K51+160 斷面水平位移云圖(單位：m Horizontal displacement diagram of K51+160(unit： m 2894 巖石力學(xué)與工程學(xué)報 2010 年 mass in red bedsJ. Geology and Prospectin

41、g，2007，43(5：96 5 結(jié) 論 6 100.(in Chinese 彭柏興，王星華. 紅層殘積土工程特性與應(yīng)用J. 巖石力學(xué)與工程 學(xué)報， 2004， 23(增 1： 4054 408.(PENG Baixing， 4 WANG Xinghua. Application and engineering properties of residual soil of red bedsJ. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2004， 23(Supp.1：4 4054 408.(in Chinese 7 程 強(qiáng)，周永江，黃紹

42、檳. 近水平紅層開挖邊坡變形破壞特征J. 廣巴高速公路全線紅層堆積體高邊坡密布，堆 積體可劃分為層狀堆積體、塊石土堆積體、黏土層 下臥塊石土堆積體和塊石土黏土中夾雜大孤石四種 類型。堆積體邊坡的具體變形特征除與堆積體結(jié)構(gòu) 特征有關(guān)外，還要受到其下臥基巖面的形狀、傾角 等因素影響。常見破壞型式有圓弧狀整體破壞，直 線型破壞以及紅層堆積體地區(qū)主要的淺表層滑塌、 掉塊等。其中，順傾層狀堆積體主要產(chǎn)生牽引式的 整體滑動，反傾層狀堆積體受到軟弱結(jié)構(gòu)面作用也 可能出現(xiàn)貫通節(jié)理面。而其他 3 種型式的厚層堆積 體主要產(chǎn)生內(nèi)部圓弧狀潛在滑面，淺層堆積體則在 坡體后部出現(xiàn)明顯拉裂縫以及順基巖的平面滑動。 含有孤

43、石的堆積體破壞型式受孤石尺寸大小和位置 影響比較顯著。 對紅層堆積體結(jié)構(gòu)和變形的分類，打破了通常 認(rèn)為紅層堆積體型式單一，變形破壞模式簡單的認(rèn) 識，對進(jìn)一步分析紅層堆積體高邊坡病害模式和災(zāi) 害機(jī)制提供基礎(chǔ)，也為紅層堆積體地區(qū)設(shè)計開挖支 護(hù)方法的研究提供了依據(jù)。 參考文獻(xiàn)(References： 1 黃紹檳，程 強(qiáng)，胡厚田. 四川紅層分布及工程環(huán)境特征研究J. 9 8 巖土力學(xué)，2004，25(8：1 3111 314.(CHENG Qiang，ZHOU Yongjiang，HUANG Shaobin. Distortion and failure character of excavation

44、 slope in approximate level red bedsJ. Rock and Soil Mechanics，2004，25(8：1 3111 314.(in Chinese 楊宗才，張俊云，周德培. 紅層泥巖邊坡快速風(fēng)化特性研究J. 巖 石力學(xué)與工程學(xué)報，2006，25(2：275283.(YANG Zongcai，ZHANG Junyun，ZHOU Depei. Study of fast weathering characteristics of red bed mudstone slopeJ. Chinese Journal of Rock Mechanics and

45、Engineering，2006，25(2：275283.(in Chinese 周應(yīng)華. 紅層路塹邊坡失穩(wěn)機(jī)制及加固防護(hù)技術(shù)研究博士學(xué)位論 文D. 成都：西南交通大學(xué)，2006.(ZHOU Yinghua. Study of deformation mechanism and support of roadcut slope in red bedsPh. D. ThesisD. Chengdu：Southwest Jiaotong University，2006.(in Chinese 10 胡厚田，趙曉彥. 中國紅層邊坡巖體結(jié)構(gòu)類型的研究J. 巖土工程 學(xué)報， 2006， 28(6： 68

46、9694.(HU Houtian， ZHAO Xiaoyan. Studies of rockmass structure in slope of red bed in ChinaJ. Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2006，28(6：689694.(in Chinese 11 程 強(qiáng). 紅層軟巖開挖邊坡致災(zāi)機(jī)制及防治技術(shù)研究博士學(xué)位論 文D. 成都： 西南交通大學(xué)， 2008.(CHENG Qiang. Study of excavation slope disaster mechanism and prevention techno

47、logy in red beds soft rockPh. D. ThesisD. Chengdu：Southwest Jiaotong University， 2008.(in Chinese 12 駱銀輝，朱春林，李俊東. 云南紅層邊坡變形破壞機(jī)制及其危害防 治研究J. 巖土力學(xué)，2003，24(5：836839.(LUO Yinhui，ZHU Chunlin，LI Jundong. Research for distortion-destruction mechanism of slopes of red strata in Yunnan province and their hazard controlJ. Rock and Soil Mechanics，2003，24(5：836839.(in Chinese 13 趙建昌，李永和，吉隨旺. 緩傾角紅層路塹高邊坡應(yīng)力狀態(tài)與防護(hù) 研究J. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2005，24(增 2：5 7515 755. (ZHAO Jianchang，LI Yonghe，JI Suiwang. Study of stress state and protection of e